김준기 서울아산병원 융합의학과 교수

국내 연구진이 초고해상도 영상 기술을 활용해 살아 있는 동물의 장기 내 미토콘드리아 움직임을 실시간으로 시각화하는 데 성공했다.

김준기 울산의대 서울아산병원 융합의학과 교수팀은 이광자 생체 현미경에 방사형 변동 기반 초해상도 영상화 기법(SRRF)을 적용하고, 알코올성 간질환 쥐 모델에서 간세포 내 미토콘드리아의 동선을 실시간으로 포착했다. 이 기술은 고해상도 영상을 장시간 안정적으로 획득할 수 있어 다양한 의생명 분야에 폭넓은 활용 가능성이 기대된다.

기존의 광학 현미경은 해상도의 회절 한계(200~250nm)로 인해 생체 조직 내 미세 구조를 정밀하게 관찰하기 어렵다. 특히 살아 있는 조직은 호흡과 심장 박동, 혈류 등으로 인해 지속적인 움직임이 발생해 영상 누적이 필요한 초해상도 기술을 적용하기 어려웠다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 이광자 현미경을 사용하고, 조직 움직임을 보정하는 자체 고안된 안정화 장치를 도입했으며, 자기지도학습 기반 잡음 제거 알고리즘을 통해 영상 품질을 향상시켰다. 이어 영상에서 미세한 구조적 요동을 수학적으로 분석하는 SRRF 기법을 활용해 해상도를 기존 대비 2~3배 향상시켰고, 이를 푸리에 링 상관 분석(FRC)으로 정량 검증했다.

추가적인 형광 표지나 복잡한 광학 장비 없이도 세포 내 소기관의 세부 구조를 관찰할 수 있는 수준의 해상도 확보가 가능해졌다는 점에서 큰 의미를 가진다. 이러한 기술적 진보는 기존 광학 영상 기술의 한계를 수학적 영상처리로 극복한 사례로 평가된다.

초고해상도 이광자 생체 현미경 도식도연구팀은 해당 기술을 실제 질환 모델에 적용해 유효성을 확인했다. 알코올성 간질환 생쥐 모델에서 간세포 내 미토콘드리아의 형태학적 변화를 타임랩스 방식으로 촬영한 결과, 대조군에서는 정상적인 섬유형 네트워크가 관찰됐으나 알코올 노출군에서는 파편화되고 기능이 저하된 구조가 뚜렷하게 확인됐다. 이는 미토콘드리아 파괴가 간질환 병리의 핵심이라는 점을 시각적으로 증명한 것이다.

또한 연구팀은 천연물 화합물인 버버린(berberine)의 간 보호 효과를 영상 기반으로 확인했다. 버버린을 알코올에 노출된 생쥐에 투여하자 미토콘드리아 파편화가 줄고 건강한 네트워크 구조가 회복되는 모습이 나타났다. 이는 버버린이 Drp1과 상호작용해 미토콘드리아 분열을 조절하고, 간세포의 구조적 복원을 돕는다는 기전을 뒷받침하는 근거로 활용될 수 있다.

김준기 교수는 “복잡한 광학 요소 대신 수학적 방법을 통해 살아 있는 생체 내 미세구조를 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 확립했다”며, “이번 연구는 간질환 병태생리 연구뿐 아니라 다양한 대사질환, 염증성 질환, 퇴행성 질환, 암 연구에 활용될 수 있는 영상 플랫폼의 기반을 마련했다”고 밝혔다.

연구는 보건복지부와 과기정통부의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 'Opto-electronic Advances' 최신호에 표지 논문으로 게재됐다.